Pengaruh Buffle Cut Terhadap Unjuk Kerja Termal Dan Penurunan Tekanan Pada Alat Penukar Kalor Shell And Tube Susunan Tabung Segiempat
PENGARUH BAFFLE CUT TERHADAP UNJUK KERJA
TERMAL DAN PENURUNAN TEKANAN PADA ALAT
PENUKAR KALOR SHELL AND TUBE SUSUNAN TABUNG
SEGIEMPAT
TESIS
OLEH
FAISAL LUBIS
057015002/TM
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
ABSTRAK
Penelitian ini dilakukan untuk menyelidiki dan mengetahui pengaruh baffle cut
terhadap unjuk kerja termal dan penurunan tekanan pada alat penukar kalor shell and
tube 1-1 pass dengan susunan tabung segi empat. Jenis baffle yang digunakan adalah
jenis segmen tunggal dengan jarak baffle 40 mm. Pengujian dilakukan dengan 3
variasi baffle cut yaitu 11 %, 25,6 %, 38,88 %, 48,97 %. Dari hasil penelitian
diperoleh koefisien perpindahan kalor yang dinyatakan dengan bilangan Nusselt (Nu)
yang optimum dan penurunan tekanan yang dinyatakan dengan faktor gesek (f) yang
minimum diperoleh pada baffle cut 25,6 % dan kerugian tekanan masing-masing
adalah : Nu = 0,0253 Re0,764 dan f = 2,636 Re-0,214 (Lb/Ds)0,214 untuk : 10136 < Re <
38944 dan 0,27 < Lb/Ds < 0,54
Kata Kunci: Baffle cut, unjuk kerja termal, penurunan tekanan, penukar kalor.
i
ABSTRACT
The objective of the research was to investigate and to analyze the influence of baffle
cut on thermal performance and the decrease in pressure in heat transfer, shell and
tube 1-1 pass, square tube arrangement. The type of baffle was single segment type
with the range of the baffle was 40 mm. The testing was conducted by using four
variations of baffle cut: 11%, 25.6%, 38.88%, and 48.97%. The result of the research
showed that the coefficient of heat transfer in optimum Nusselt number (Nu) and the
decrease in pressure in minimum friction factor (f) found in baffle cut were 25.6%,
and the loss of pressure of each of them was Nu = 0.0253 Re0.764 and f = 2.636 Re0.214
(Lb/Ds)0.214 for 10136 < Re < 38944 and 0.27 < Lb/Ds < 0.54
Keywords: Baffle cut, Thermal Performance, Decrease in Pressure, Heat Transfer
ii
Judul Tesis
:
Nama Mahasiswa
Nomor Pokok
Program Studi
:
:
:
PENGARUH BUFFLE CUT TERHADAP UNJUK
KERJA
TERMAL DAN PENURUNAN
TEKANAN PADA ALAT PENUKAR KALOR
SHELL
AND
TUBE
SUSUNAN
TABUNG
SEGIEMPAT
FAISAL LUBIS
057015002/TM
Magister Teknik Mesin
Menyetujui
Komisi Pembimbing
Prof. Dr. Ir. Ilmi Abdullah, M.Sc.
Ketua
Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME
ST, MT
Penguji
Dr. Eng. Himsar Ambarita,
Penguji
Dekan
Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah yang Maha Pengasih lagi
Maha Penyayang atas limpahan rahmat dan hidayahNya sehingga penulis dapat
menyelesaikan penelitian tesis ini. Penelitian ini dibuat untuk memenuhi sebahagian
persyaratan harus dipenuhi untuk memperoleh gelar magister teknik pada Program
Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
Penelitian ini berjudul “ Pengaruh Baffle Cut Terhadap Unjuk Kerja Ternal
dan Penurunan Tekanan Pada Alat Penukar Kalor Shell And Tube Susunan Tabung
Segi Empat”.
Penelitian ini penulis ajukan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Ilmi Abdullah, M.Sc.
sebagai ketua komisi pembimbing, penulis bangga dan berterimakasih atas
kepercayaan beliau untuk dapat melaksanakan penelitian ini. Walaupun kesibukan
beliau sangat sibuk dalam pekerjaan sehari-hari, beliau masih menyempatkan diri
untuk terus-menerus membimbing penulis dalam menyelesaikan penelitian ini. Atas
kesediaan beliau menjadi Pembimbing Utama, penulis aturkan terima kasih yang
tiada terhingga.
Pada ksempatan ini juga peneliti mengucapkan terima kasih yang tiada hingga
kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME, Selaku Dekan Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara yang telah menerima dan memberi kesempatan kuliah S2
sekaligus sebagai Dosen Penguji.
Kepada Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT, pada kesempatan ini juga
penulis mengucapkan terima kasih yang tiada hingga atas kesediaan beliau yang
iii
telah memberikan waktu dan kesempatan kepada peneliti untuk mengikuti ujian tesis
sekaligus sebagai dosen penguji.
Kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Muhammad Turmuzi, M.S, sebagai Pembantu
Dekan –I Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, pada kesempatan juga penulis
mengucapkan terima kasih yang tiada hingga atas kesediaan beliau yang telah
memberikan waktu dan kesempatan kepada peneliti untuk mengikuti ujian tesis.
Akhirnya penulis menyampaikan terima kasih yang tiada terhingga kepada
almarhumah isteri penulis Ernawati, S.Pd . yang telah mendampingi semasa hidupnya
dan juga telah banyak membantu penulis untuk menyelesaikan tesis ini dan kepada
anak saya Muhammad Mujahidil Khair Lubis. Mereka sumber kekuatan hidup lahir
dan batin.
Dalam menyelsaikan penelitian ini, penulis telah berusaha semaksimal
mungkin dan berkat bantuan semua pihak, sehingga penelitian ini dapat diselesaikan.
Untuk lebih menyempurnakan isi maupun tulisan hasil penelitian tesis ini,
penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang berguna bagi semua pihak.
Semoga Allah yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang melimpahkan rahmat dan
karunianya kepada kita semua. Amin.
Medan, Februari 2015
Penulis
Faisal Lubis
iv
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Nama
: Faisal Lubis
NIM
: 057015002
Tempat/ Tgl Lahir
: Hutatonga Tap – Sel / 28 januari 1966
Pekerjaan
: Dosen Tetap Teknik UMSU – Medan
Alamat Rumah
: Jl. Medan – Batang Kuis, Desa Sei Rotan, Gg. Pribadi
Alamat Kantor
: Jl. Kapten Mukhtar Basri No. 3 Medan
Pendidikan
1973 – 1979
: SD Negeri Nomor 142513, Hutatonga Tap – Sel
1979 – 1982
: ST Yaspemda Belawan
1982 – 1985
: STM Yaspemda Belawan
1982 – 1992
: Pendidikan S1 Teknik Mesin Institut Teknolodi
Medan (ITM)
Pengalam Kerja
1993 s/d sekarang
: Dosen Tetap Teknik UMSU - Medan
v
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ......................................................................................................
i
ABSTRACT ...................................................................................................
ii
KATA PENGANTAR ...................................................................................
iii
DAFTAR RIWAYAT HIDUP .......................................................................
v
DAFTAR ISI ...................................................................................................
vi
DAFTAR TABEL ...........................................................................................
vii
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................
ix
DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................
xi
DAFTAR ISTILAH ........................................................................................
xii
BAB I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ..............................................................................
1
1.2 Perumuasan Masalah dan Batasan Masalah .................................
3
1.3 Tujuan Penelitian .........................................................................
3
1.4 Manfaat Penelitian ........................................................................
4
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Alat Penukar Kalor Selonsong dan Tabung ...................................
7
2.2 Landasan Teori ..............................................................................
8
BAB III METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu .......................................................................
22
3.2 Bahan dan Alat ..............................................................................
22
vi
3.3 Rancangan Alat Penelitian ............................................................
25
3.4 Pelaksanaan Penelitian ..................................................................
40
3.5 Variabel Penelitian .......................................................................
45
3.6 Analisa Data ..................................................................................
46
3.7 Kerangka Konsep Penelitian .........................................................
46
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Penyerapan Kalor Pada APK ........................................................
51
4.2 Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Pada Selongsong ...........
53
4.3 Efektivitas APK Selongsong dan Tabung .....................................
55
4.4 Penurunan Tekanan didalam Selongsong .....................................
57
4.5 Koefisien Gesek didalam Selongsong ...........................................
58
4.6 Formulasi Bilangan Nusselt ..........................................................
59
4.7 Formulasi Koefisien Gesek ...........................................................
61
BAB V. PENUTUP
5.1 Kesimpulan ...................................................................................
64
5.2 Saran ..............................................................................................
64
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................
65
LAMPIRAN
vii
DAFTAR TABEL
No.
Judul
Halaman
2.1. Faktor konstanta untuk perhitungan koefisien perpindahan
Kalor Ideal ................................................................................................
14
3.1. Parameter Sisi Tabung dan Selongsong ...................................................
25
3.2. Data Sheet Pengukuran Untuk Tiap-Tiap Baffle Cut ..............................
46
viii
DAFTAR GAMBAR
No.
Judul
Halaman
2.1 Alat Penukar Kalor Selongsong dan Tabung .............................................
5
2.2. Aliran Dalam Sisi Selongsong Dengan Baffle Segment............................
6
2.3. Distribusi Aliran Pada Selonsong Akibat Pengaruh Baffle Cut ................
6
2.4. Profil Aliran Dan Konstruksi Luas Jendela Baffle Cut .............................
13
2.5. Jenis-jenis baffle cut yang diuji .................................................................
14
2.6. Geometri Baffle .........................................................................................
16
2.7. Arah Aliran Fluida Didalam APK Selongsong dan Tabung .....................
19
3.1. Skema Set-up Alat Uji Penelitian .............................................................
27
3.2. Pengaturan Jarak Baffle .............................................................................
42
3.3. APK Siap Untuk Diuji ..............................................................................
44
3.4. Rangkaian Bak Pemanas Air ....................................................................
45
3.5. Kerangka Konsep Penelitian .....................................................................
48
3.6. Diagram Alir / Urutan Penelitian ..............................................................
49
4.1. Grafik Hubungan Antara Bilangan Reynold Dan Penyerapan
di dalam Selonsong ...................................................................................
52
4.2. Grafik Hubungan Antara Bilangan Reynold dan bilangan Nusselt
di dalam Selonsong ...................................................................................
54
4.3. Grafik Hubungan Antara Bilangan Nusselt Dan Koefisien
Perpindahan Kalor Konveksi di Dalam Selonsong ..................................
ix
55
No.
Judul
Halaman
4.4. Grafik Hubungan Antara Bilangan Reynold dan Efektivitas APK
Selongsong danTabung Susunan Segiempat ............................................
56
4.5. Grafik Hubungan Antara Penurunan Tekanan dan Bilangan Reynold
di dalam selongsong ..................................................................................
57
4.6. Grafik Hubungan Antara Koefisien Gesekan dan Bilangan Reynold
di dalam selonsong ...................................................................................
x
59
DAFTAR LAMPIRAN
No.
Judul
Halaman
1.
Hasil Perhitungan Heat Transfer .......................................................
71
2.
Hasil Perhitungan Konstruksi ..........................................................
119
3.
Hasil Perhitungan Penurunan Tekanan ..............................................
139
4.
Data Hasil Perhitungan APK .............................................................
160
5.
Perhitungan Propertis Air...................................................................
162
6.
Perhitungan Propertis Udara ..............................................................
182
7.
Hasil Perencanaan APK .....................................................................
200
xi
DAFTAR ISTILAH
A
Luas alat penukar kalor, m2
a,a1,a2,a3,a4, Parameter penyocokan kurva untuk koefisien perpindahan kalor
At
Luas tabung, m2
b,b1,b2,b3,b4 Parameter penyocokan kurva untuk koefisien gesekan
Bc
Persentase baffle cut
Cj
Hubungan parameter untuk JB
Cc
Laju aliran kapasitas panas perjam fluida dingin, kJ/s oC
Ch
Laju aliran kapasitas panas perjam fluida dingin, kJ/s oC
Cmin
Laju aliran kapasitas panas perjam fluida minimum, kJ/s oC
Cmaks
Laju aliran kapasitas panas perjam fluida maksimum, kJ/s oC
C pa
Panas jenis air pada tekanan konstan , J/kg K
C pu
Panas jenis udara pada tekanan konstan ,J/kg K
cs
Ruang bebas antara selongsong dan baffle, m
ct
Ruang bebas antara tabung dan baffle, m
Db
Diameter baffle , m
Dctl
Batas diameter tengah tabung pada tube bundle, m
De
Diameter ekivalen bundle, m
Do
Diameter bundle tabung, m
Dotl
Batas diameter luar tabung pada tube bundle,m
Ds
Diameter dalam selongsong, m
xii
do
Diameter luar tabung, m
din
Diameter dalam tabung, m
f
Koefisien gesekan fanning
fA
Faktor bentuk susunan tabung.
fB
Faktor aliran bypass tabung baffle dan baffle selongsong
Fw
Fraksi tabung pada satu jendela baffle
g
Percepatan grafitasi, 9,81 m/s2
JC
Faktor koreksi koefisien perpindahan panas disebabkan bentuk jendela
Faktor koreksi koefisien perpindahan panas disebabkan kebocoran
JL
jendela
Faktor koreksi koefisien perpindahan panas disebabkan aliran bypass
JB
bundle
JR
Faktor koreksi aliran laminar
JS
Faktor koreksi akibat jarak baffle yang tidak sama
h
Beda ketinggian air pada tabung U, mm
Ha
Koefisien perpindahan panas konveksi air, W/m2 K
hideal
Koefisien perpindahan panas ideal pada selongsong, W/m2 K
hi
Koefisien perpindahan panas konveksi pada tabung, W/m2 K
ho
Koefisien perpindahan panas konveksi pada selongsong, W/m2 K
hu
Koefisien perpindahan panas konveksi udara, W/m2 K
ka
Konduktifitas air, W/m K
xiii
kt
Konduktifitas tabung, W/m K
ku
Konduktifitas udara, W/m K
Lbb
Ruang bebas bundle tube denga selongsong, m
Lbc
Jarak antar baffle, m
Lsb
Ruang bebas diametral tabung dengan baffle, m
Lt
Panjang tube, m
Ltp
Ruang bebas diametral baffle dengan tabung, m
Ltp eff
Jarak bagi tabung arah transversal efektif, m
ma
Laju aliran massa air, kg/s
mu
Laju aliran massa udara, kg/s
Nb
Jumlah baffle
Npass
Jumlah laluan tabung
Nt
Jumlah tabung
Nw
Jumlah baris tabung pada daerah jendela
Nui
Bilangan Nusselt air
Nuu
Bilangan Nusselt udara
Nwt
Jumlah tabung pada daerah jendela
Nb
Jumlah baffle
Nc
Jumlah baris tabung pada daerah aliran lintang
Pri
Bilangan Prandalt air
Pp
Jarak bagi tabung arah memanjang , m
xiv
Pt
Jarak bagi tabung arah transversal , m
∆Pec
Penurunan tekanan pada sisi masuk dan keluar daerah aliran lintang, Pa
∆Pwz
Penurunan tekanan pada jendela, Pa
∆Pc
Penurunan tekanan pada interior aliran lintang, Pa
∆Ps
Penurunan tekanan total pada sisi selongsong , Pa
•
Qa
Kalor yang dilepaskan air panas, W
Qu
Kalor yang diserap udara, W
qmaks
Kalor maksimum yang terjadi, W
qnyata
Kalor nyata yang terjadi, W
Reo,ψ
Bilangan reynold sisi selongsong
Rei
Bilangan reynold sisi tabung
rs
Hubungan parameter untuk JL
rlm
Hubungan parameter untuk JL
Sb
Luas aliran bypass antara bundle dan selongsong, m
Sm
Luas daerah aliran lintang pada selongsong, m2
Stb
Total luas kebocoran pada satu baffle, m2
Ssb
Luas kebocoran antara baffle dan selongsong, m2
Tci
Temperatur fluida dingin masuk oC
Tco
Temperatur fluida dingin keluar oC
Thi
Temperatur fluida panas masuk oC
xv
Tho
Temperatur fluida panas keluar oC
Ti
Temperatur dinding dalam tube oC
Tto
Temperatur dinding luar tabung oC
Tti
Temperatur dinding dalam tabung oC
∆T
Perbedaan temperatur (oC)
∆Tm
Beda temperatur rata-rata logaritma (oC)
U
Koefisien perpindahan panas menyeluruh W/m2 oC
.
V
Kapasitas aliran fluida didalam selongsong, m3/s
V
Kecepatan maksimum udara didalam selongsong, m/s
wi
Laju massa aliran air kg/s
wo
Laju massa aliran udara m3/s2
xvi
TERMAL DAN PENURUNAN TEKANAN PADA ALAT
PENUKAR KALOR SHELL AND TUBE SUSUNAN TABUNG
SEGIEMPAT
TESIS
OLEH
FAISAL LUBIS
057015002/TM
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
ABSTRAK
Penelitian ini dilakukan untuk menyelidiki dan mengetahui pengaruh baffle cut
terhadap unjuk kerja termal dan penurunan tekanan pada alat penukar kalor shell and
tube 1-1 pass dengan susunan tabung segi empat. Jenis baffle yang digunakan adalah
jenis segmen tunggal dengan jarak baffle 40 mm. Pengujian dilakukan dengan 3
variasi baffle cut yaitu 11 %, 25,6 %, 38,88 %, 48,97 %. Dari hasil penelitian
diperoleh koefisien perpindahan kalor yang dinyatakan dengan bilangan Nusselt (Nu)
yang optimum dan penurunan tekanan yang dinyatakan dengan faktor gesek (f) yang
minimum diperoleh pada baffle cut 25,6 % dan kerugian tekanan masing-masing
adalah : Nu = 0,0253 Re0,764 dan f = 2,636 Re-0,214 (Lb/Ds)0,214 untuk : 10136 < Re <
38944 dan 0,27 < Lb/Ds < 0,54
Kata Kunci: Baffle cut, unjuk kerja termal, penurunan tekanan, penukar kalor.
i
ABSTRACT
The objective of the research was to investigate and to analyze the influence of baffle
cut on thermal performance and the decrease in pressure in heat transfer, shell and
tube 1-1 pass, square tube arrangement. The type of baffle was single segment type
with the range of the baffle was 40 mm. The testing was conducted by using four
variations of baffle cut: 11%, 25.6%, 38.88%, and 48.97%. The result of the research
showed that the coefficient of heat transfer in optimum Nusselt number (Nu) and the
decrease in pressure in minimum friction factor (f) found in baffle cut were 25.6%,
and the loss of pressure of each of them was Nu = 0.0253 Re0.764 and f = 2.636 Re0.214
(Lb/Ds)0.214 for 10136 < Re < 38944 and 0.27 < Lb/Ds < 0.54
Keywords: Baffle cut, Thermal Performance, Decrease in Pressure, Heat Transfer
ii
Judul Tesis
:
Nama Mahasiswa
Nomor Pokok
Program Studi
:
:
:
PENGARUH BUFFLE CUT TERHADAP UNJUK
KERJA
TERMAL DAN PENURUNAN
TEKANAN PADA ALAT PENUKAR KALOR
SHELL
AND
TUBE
SUSUNAN
TABUNG
SEGIEMPAT
FAISAL LUBIS
057015002/TM
Magister Teknik Mesin
Menyetujui
Komisi Pembimbing
Prof. Dr. Ir. Ilmi Abdullah, M.Sc.
Ketua
Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME
ST, MT
Penguji
Dr. Eng. Himsar Ambarita,
Penguji
Dekan
Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah yang Maha Pengasih lagi
Maha Penyayang atas limpahan rahmat dan hidayahNya sehingga penulis dapat
menyelesaikan penelitian tesis ini. Penelitian ini dibuat untuk memenuhi sebahagian
persyaratan harus dipenuhi untuk memperoleh gelar magister teknik pada Program
Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
Penelitian ini berjudul “ Pengaruh Baffle Cut Terhadap Unjuk Kerja Ternal
dan Penurunan Tekanan Pada Alat Penukar Kalor Shell And Tube Susunan Tabung
Segi Empat”.
Penelitian ini penulis ajukan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Ilmi Abdullah, M.Sc.
sebagai ketua komisi pembimbing, penulis bangga dan berterimakasih atas
kepercayaan beliau untuk dapat melaksanakan penelitian ini. Walaupun kesibukan
beliau sangat sibuk dalam pekerjaan sehari-hari, beliau masih menyempatkan diri
untuk terus-menerus membimbing penulis dalam menyelesaikan penelitian ini. Atas
kesediaan beliau menjadi Pembimbing Utama, penulis aturkan terima kasih yang
tiada terhingga.
Pada ksempatan ini juga peneliti mengucapkan terima kasih yang tiada hingga
kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME, Selaku Dekan Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara yang telah menerima dan memberi kesempatan kuliah S2
sekaligus sebagai Dosen Penguji.
Kepada Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT, pada kesempatan ini juga
penulis mengucapkan terima kasih yang tiada hingga atas kesediaan beliau yang
iii
telah memberikan waktu dan kesempatan kepada peneliti untuk mengikuti ujian tesis
sekaligus sebagai dosen penguji.
Kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Muhammad Turmuzi, M.S, sebagai Pembantu
Dekan –I Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, pada kesempatan juga penulis
mengucapkan terima kasih yang tiada hingga atas kesediaan beliau yang telah
memberikan waktu dan kesempatan kepada peneliti untuk mengikuti ujian tesis.
Akhirnya penulis menyampaikan terima kasih yang tiada terhingga kepada
almarhumah isteri penulis Ernawati, S.Pd . yang telah mendampingi semasa hidupnya
dan juga telah banyak membantu penulis untuk menyelesaikan tesis ini dan kepada
anak saya Muhammad Mujahidil Khair Lubis. Mereka sumber kekuatan hidup lahir
dan batin.
Dalam menyelsaikan penelitian ini, penulis telah berusaha semaksimal
mungkin dan berkat bantuan semua pihak, sehingga penelitian ini dapat diselesaikan.
Untuk lebih menyempurnakan isi maupun tulisan hasil penelitian tesis ini,
penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang berguna bagi semua pihak.
Semoga Allah yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang melimpahkan rahmat dan
karunianya kepada kita semua. Amin.
Medan, Februari 2015
Penulis
Faisal Lubis
iv
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
Nama
: Faisal Lubis
NIM
: 057015002
Tempat/ Tgl Lahir
: Hutatonga Tap – Sel / 28 januari 1966
Pekerjaan
: Dosen Tetap Teknik UMSU – Medan
Alamat Rumah
: Jl. Medan – Batang Kuis, Desa Sei Rotan, Gg. Pribadi
Alamat Kantor
: Jl. Kapten Mukhtar Basri No. 3 Medan
Pendidikan
1973 – 1979
: SD Negeri Nomor 142513, Hutatonga Tap – Sel
1979 – 1982
: ST Yaspemda Belawan
1982 – 1985
: STM Yaspemda Belawan
1982 – 1992
: Pendidikan S1 Teknik Mesin Institut Teknolodi
Medan (ITM)
Pengalam Kerja
1993 s/d sekarang
: Dosen Tetap Teknik UMSU - Medan
v
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ......................................................................................................
i
ABSTRACT ...................................................................................................
ii
KATA PENGANTAR ...................................................................................
iii
DAFTAR RIWAYAT HIDUP .......................................................................
v
DAFTAR ISI ...................................................................................................
vi
DAFTAR TABEL ...........................................................................................
vii
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................
ix
DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................
xi
DAFTAR ISTILAH ........................................................................................
xii
BAB I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ..............................................................................
1
1.2 Perumuasan Masalah dan Batasan Masalah .................................
3
1.3 Tujuan Penelitian .........................................................................
3
1.4 Manfaat Penelitian ........................................................................
4
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Alat Penukar Kalor Selonsong dan Tabung ...................................
7
2.2 Landasan Teori ..............................................................................
8
BAB III METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu .......................................................................
22
3.2 Bahan dan Alat ..............................................................................
22
vi
3.3 Rancangan Alat Penelitian ............................................................
25
3.4 Pelaksanaan Penelitian ..................................................................
40
3.5 Variabel Penelitian .......................................................................
45
3.6 Analisa Data ..................................................................................
46
3.7 Kerangka Konsep Penelitian .........................................................
46
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Penyerapan Kalor Pada APK ........................................................
51
4.2 Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Pada Selongsong ...........
53
4.3 Efektivitas APK Selongsong dan Tabung .....................................
55
4.4 Penurunan Tekanan didalam Selongsong .....................................
57
4.5 Koefisien Gesek didalam Selongsong ...........................................
58
4.6 Formulasi Bilangan Nusselt ..........................................................
59
4.7 Formulasi Koefisien Gesek ...........................................................
61
BAB V. PENUTUP
5.1 Kesimpulan ...................................................................................
64
5.2 Saran ..............................................................................................
64
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................
65
LAMPIRAN
vii
DAFTAR TABEL
No.
Judul
Halaman
2.1. Faktor konstanta untuk perhitungan koefisien perpindahan
Kalor Ideal ................................................................................................
14
3.1. Parameter Sisi Tabung dan Selongsong ...................................................
25
3.2. Data Sheet Pengukuran Untuk Tiap-Tiap Baffle Cut ..............................
46
viii
DAFTAR GAMBAR
No.
Judul
Halaman
2.1 Alat Penukar Kalor Selongsong dan Tabung .............................................
5
2.2. Aliran Dalam Sisi Selongsong Dengan Baffle Segment............................
6
2.3. Distribusi Aliran Pada Selonsong Akibat Pengaruh Baffle Cut ................
6
2.4. Profil Aliran Dan Konstruksi Luas Jendela Baffle Cut .............................
13
2.5. Jenis-jenis baffle cut yang diuji .................................................................
14
2.6. Geometri Baffle .........................................................................................
16
2.7. Arah Aliran Fluida Didalam APK Selongsong dan Tabung .....................
19
3.1. Skema Set-up Alat Uji Penelitian .............................................................
27
3.2. Pengaturan Jarak Baffle .............................................................................
42
3.3. APK Siap Untuk Diuji ..............................................................................
44
3.4. Rangkaian Bak Pemanas Air ....................................................................
45
3.5. Kerangka Konsep Penelitian .....................................................................
48
3.6. Diagram Alir / Urutan Penelitian ..............................................................
49
4.1. Grafik Hubungan Antara Bilangan Reynold Dan Penyerapan
di dalam Selonsong ...................................................................................
52
4.2. Grafik Hubungan Antara Bilangan Reynold dan bilangan Nusselt
di dalam Selonsong ...................................................................................
54
4.3. Grafik Hubungan Antara Bilangan Nusselt Dan Koefisien
Perpindahan Kalor Konveksi di Dalam Selonsong ..................................
ix
55
No.
Judul
Halaman
4.4. Grafik Hubungan Antara Bilangan Reynold dan Efektivitas APK
Selongsong danTabung Susunan Segiempat ............................................
56
4.5. Grafik Hubungan Antara Penurunan Tekanan dan Bilangan Reynold
di dalam selongsong ..................................................................................
57
4.6. Grafik Hubungan Antara Koefisien Gesekan dan Bilangan Reynold
di dalam selonsong ...................................................................................
x
59
DAFTAR LAMPIRAN
No.
Judul
Halaman
1.
Hasil Perhitungan Heat Transfer .......................................................
71
2.
Hasil Perhitungan Konstruksi ..........................................................
119
3.
Hasil Perhitungan Penurunan Tekanan ..............................................
139
4.
Data Hasil Perhitungan APK .............................................................
160
5.
Perhitungan Propertis Air...................................................................
162
6.
Perhitungan Propertis Udara ..............................................................
182
7.
Hasil Perencanaan APK .....................................................................
200
xi
DAFTAR ISTILAH
A
Luas alat penukar kalor, m2
a,a1,a2,a3,a4, Parameter penyocokan kurva untuk koefisien perpindahan kalor
At
Luas tabung, m2
b,b1,b2,b3,b4 Parameter penyocokan kurva untuk koefisien gesekan
Bc
Persentase baffle cut
Cj
Hubungan parameter untuk JB
Cc
Laju aliran kapasitas panas perjam fluida dingin, kJ/s oC
Ch
Laju aliran kapasitas panas perjam fluida dingin, kJ/s oC
Cmin
Laju aliran kapasitas panas perjam fluida minimum, kJ/s oC
Cmaks
Laju aliran kapasitas panas perjam fluida maksimum, kJ/s oC
C pa
Panas jenis air pada tekanan konstan , J/kg K
C pu
Panas jenis udara pada tekanan konstan ,J/kg K
cs
Ruang bebas antara selongsong dan baffle, m
ct
Ruang bebas antara tabung dan baffle, m
Db
Diameter baffle , m
Dctl
Batas diameter tengah tabung pada tube bundle, m
De
Diameter ekivalen bundle, m
Do
Diameter bundle tabung, m
Dotl
Batas diameter luar tabung pada tube bundle,m
Ds
Diameter dalam selongsong, m
xii
do
Diameter luar tabung, m
din
Diameter dalam tabung, m
f
Koefisien gesekan fanning
fA
Faktor bentuk susunan tabung.
fB
Faktor aliran bypass tabung baffle dan baffle selongsong
Fw
Fraksi tabung pada satu jendela baffle
g
Percepatan grafitasi, 9,81 m/s2
JC
Faktor koreksi koefisien perpindahan panas disebabkan bentuk jendela
Faktor koreksi koefisien perpindahan panas disebabkan kebocoran
JL
jendela
Faktor koreksi koefisien perpindahan panas disebabkan aliran bypass
JB
bundle
JR
Faktor koreksi aliran laminar
JS
Faktor koreksi akibat jarak baffle yang tidak sama
h
Beda ketinggian air pada tabung U, mm
Ha
Koefisien perpindahan panas konveksi air, W/m2 K
hideal
Koefisien perpindahan panas ideal pada selongsong, W/m2 K
hi
Koefisien perpindahan panas konveksi pada tabung, W/m2 K
ho
Koefisien perpindahan panas konveksi pada selongsong, W/m2 K
hu
Koefisien perpindahan panas konveksi udara, W/m2 K
ka
Konduktifitas air, W/m K
xiii
kt
Konduktifitas tabung, W/m K
ku
Konduktifitas udara, W/m K
Lbb
Ruang bebas bundle tube denga selongsong, m
Lbc
Jarak antar baffle, m
Lsb
Ruang bebas diametral tabung dengan baffle, m
Lt
Panjang tube, m
Ltp
Ruang bebas diametral baffle dengan tabung, m
Ltp eff
Jarak bagi tabung arah transversal efektif, m
ma
Laju aliran massa air, kg/s
mu
Laju aliran massa udara, kg/s
Nb
Jumlah baffle
Npass
Jumlah laluan tabung
Nt
Jumlah tabung
Nw
Jumlah baris tabung pada daerah jendela
Nui
Bilangan Nusselt air
Nuu
Bilangan Nusselt udara
Nwt
Jumlah tabung pada daerah jendela
Nb
Jumlah baffle
Nc
Jumlah baris tabung pada daerah aliran lintang
Pri
Bilangan Prandalt air
Pp
Jarak bagi tabung arah memanjang , m
xiv
Pt
Jarak bagi tabung arah transversal , m
∆Pec
Penurunan tekanan pada sisi masuk dan keluar daerah aliran lintang, Pa
∆Pwz
Penurunan tekanan pada jendela, Pa
∆Pc
Penurunan tekanan pada interior aliran lintang, Pa
∆Ps
Penurunan tekanan total pada sisi selongsong , Pa
•
Qa
Kalor yang dilepaskan air panas, W
Qu
Kalor yang diserap udara, W
qmaks
Kalor maksimum yang terjadi, W
qnyata
Kalor nyata yang terjadi, W
Reo,ψ
Bilangan reynold sisi selongsong
Rei
Bilangan reynold sisi tabung
rs
Hubungan parameter untuk JL
rlm
Hubungan parameter untuk JL
Sb
Luas aliran bypass antara bundle dan selongsong, m
Sm
Luas daerah aliran lintang pada selongsong, m2
Stb
Total luas kebocoran pada satu baffle, m2
Ssb
Luas kebocoran antara baffle dan selongsong, m2
Tci
Temperatur fluida dingin masuk oC
Tco
Temperatur fluida dingin keluar oC
Thi
Temperatur fluida panas masuk oC
xv
Tho
Temperatur fluida panas keluar oC
Ti
Temperatur dinding dalam tube oC
Tto
Temperatur dinding luar tabung oC
Tti
Temperatur dinding dalam tabung oC
∆T
Perbedaan temperatur (oC)
∆Tm
Beda temperatur rata-rata logaritma (oC)
U
Koefisien perpindahan panas menyeluruh W/m2 oC
.
V
Kapasitas aliran fluida didalam selongsong, m3/s
V
Kecepatan maksimum udara didalam selongsong, m/s
wi
Laju massa aliran air kg/s
wo
Laju massa aliran udara m3/s2
xvi